机械毕业设计（论文）-旋转行波超声电机结构设计【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 旋转行波超声电机结构设计旋转行波超声电机结构设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 旋转行波超 声电机结构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用， 表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、 集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 0923206 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 3 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 旋转行波超声电机的结构设计 2、专题 超声电机的结构设计 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 传统的电机如电磁电机或者直流电机在使用中往往受到很多方 面的限制，在某些特定的环境下如真空中，或者不可有磁场影响的环 境下往往无法发挥良好的性能。为此，一种新型的电机的设计对于人 们的各行各业的使用开始至关重要。 超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，依靠定子和转子 的摩擦耦合从而获得能量。超声电机具有结构简单，体积小，耐高温 等特点，这些特点让超声电机可以在航空航天，汽车，磁悬浮列车等 方面能发挥无可取代的作用。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉超声电机的历史及发展历程，对超声电机的适用领域及特点 性能有全面的了解； 充分解析超声电机的工作原理以及各部件的作用； 掌握 ANSYS 有限元分析软件对超声电机的可行性进行分析，确 II 定超声电机的可行性； 对超声电机的可行性进行分析，得到超声电机的可行性理论值， 与 ANSYS 分析得到的结果进行对比，确定超声电机的可行性模态； 对超声电机的各部件尺寸进行设计，并且绘制出各零件的零件图 以及装配图； 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 94 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 7 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 7 日日 III 摘要摘要 超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激励弹性体产生谐振作用，把电能转换成微米 级振幅的振动，再依靠定子和转子之间产生的摩擦耦合将这细微振动扩大为转子及与之相联 的轴的旋转运动。与传统电磁电机相比，具有质量小、结构简单、高效率、低噪音、低速大 转矩和可以直接驱动负载等特点。在航空航天、精密仪器、生物医学与许多重要领域等具有 广阔的应用前景。 适应于工程上对超声电机的需要，本文设计了一种旋转型行波超声电机，主要完成了以 下工作： 1.总结分析了国内超声电机技术的现状、发展及所存在的问题； 2.阐释了旋转行波超声电机的运动机理； 3.利用 ANSYS 软件建立了超声电机定子的数学模型，利用模型对定子的工作模态进行分 析并计算，确定超声电机的定子的工作模态； 4.完成了直径超声电机的装配图和零件图的设计; 关键词：超声电机；模态分析；设计关键词：超声电机；模态分析；设计 IV Abstract Ultrasonic Motor uses the effect of Piezoelectric from Piezoelectric ceramic, and it produce the effect of resonance excitation by the Active Materials. That the electrical energy transform to the micro-deformations. To propel the rotor and the drive shaft connected to it though the amplification of the micro-deformation of the active material that depends on friction at the interface between rotor and stator.The Ultrasonic Motor offer light mass, simply constructions, high torque density at low speed, low noise, efficient and actuate directly to the load. Ultrasonic motor in the aviation and aerospace, precision instruments, bio-medicine and a number of important areas has broad application prospects. Projects adapted to the needs of the ultrasonic motor, In this paper, the design a rotary traveling wave type ultrasonic motor, the main completed the following work: 1. Summary analysis of the domestic status of ultrasonic motor technology, development and the problems; 2. To explain the rotary traveling wave ultrasonic motor of the movement mechanism; 3. The use of ANSYS software, the establishment of a ultrasonic motor mathematical model, using the model of the work of the stator modal analysis and calculation to determine a stator ultrasonic motor mode of work; 4. Completed a ultrasonic motor assembly drawings and parts of the design plan; Key word: Ultrasonic Motor ; Modal Analysis; Design V 目录目录 摘 要 III Abstract.IV 目录 VII 1 绪论 1 1.1 超声电机的定义 .1 1.2 超声电机的特点 .1 1.3 超声电机的发展历史 .2 1.4 超声电机的应用及发展前景 .4 1.5 本次课题的研究方向及安排 .4 2 旋转行波超声电机的工作原理 5 2.1 引言 .5 2.2 旋转行波超声电机的机械结构 .5 2.3 超声电机的工作原理 .5 2.4 压电陶瓷的工作原理 .6 2.5 定子行波的产生 .7 2.6 定子表面质点运动分析 .8 2.7 本章小结 10 3 定子模态分析计算 .11 3.1 导言 11 3.2 固有频率的理论计算 11 3.2.1 共振频率计算 11 3.2.2 共振振幅的计算 13 3.3 定子建模分析 14 3.3.1 ANSYS 软件简介 14 3.3.2 ANSYS 定子建模 .15 3.3.3 定子分析 18 3.4 本章小结 20 4 结构设计 .21 4.1 导言 21 4.2 设计流程 21 4.3 定子机构设计 22 4.3.1 定子内外径设计 23 4.3.2 模态阶数选择和振动模态设计 23 4.3.3 定子厚度 24 4.3.4 驱动齿设计 24 VI 4.3.5 内支撑板设计 24 4.4 转子设计 24 4.5 摩擦层设计 26 4.6 设计结果 26 4.7 电机设计结果装配结构 27 4.8 本章小结 29 5 结论与展望 .30 5.1 全文主要内容 30 5.2 工作展望 30 5.3 心得体会 30 致 谢 .31 参考文献 .32 旋转行波超声电机结构设计 1 1 绪论绪论 1.1 超声电机的定义超声电机的定义 超声电机又叫做超声马达。超声电机利用压电材料的逆压电效应。实现电能对机械 能的转化。相对于传统电机不同，超声电机是利用超声波频率范围内的机械震动作为驱 动源的驱动器。超声电机的英文名为 Ultrasonic motor。简称为 USM。 1.2 超声电机的特点超声电机的特点 超声电机是一种新型的电机，它与传统意义上的电机无论是在使用上还是原理上都 有很大的不同。超声电机具有以下几个特点 1）超声电机的能量转换方式不同于传统电机。传统的电机，如异步电机等是通过电 场的相互作用酱电能转换成机械能，电机的定子和转子并不直接接触，定转子间是有间 隙的。通过电源供电产生电能，经过定子和转子上的线圈产生磁场，磁场力作用于转子， 产生机械能。可以看出传统电机的机械能主要靠电磁感应作用由电能转化而来。而超声 电机不同于传统电机，超声电机的定子和转子是靠摩擦耦合将动力转换成转子或滑块运 动，定子和转子是需要直接接触。因为超声电机不靠电磁感应原理来实现能量转换，所 以超声电机不需要刺激和绕组。超声电机利用逆压电效应，在定子上粘贴上压电陶瓷元 件，同时对压电陶瓷原件上施加交变电压，使定子产生高频机械振动，振动产生的定子 和转子间的摩擦力使转子做定向的回转或直线运动。所以超声电机存在两种能量转换 1. 压电陶瓷利用逆压电效应实现电能对机械能的转换。2.定转子之间摩擦产生的机械能转换 1。 2）超声电机具有转速低转矩大的特点。图 1.1 和图 1.2 分别为电磁电机和超声电机 的转矩/效率-速度曲线图。由图可见，超声电机在小转矩，大转速的情况下效率高。而在 低速大转矩的情况下效率则比较低下。 图 1.1图 1.2 3）超声电机具有体积较小，重量轻。超声电机依靠定子和转子的摩擦耦合获得机械 能，不需要线圈和磁铁，因此相较于普通电机超声电机在相同转矩情况下拥有较小的体 积和更轻的重量。 无锡太湖学院学士学位论文 2 4）无电磁干扰和电磁噪声，电磁兼容性好。因为超声电机没有磁极，所以不收外界 电磁的影响，自身也没有电磁感应的影响。因此超声电机适合在强磁场的环境下工作。 1）超声电机具有耐低温的特性，适合在真空的环境下运行，如在太空中。超声电机 的定转子具有直接物理接触。当断电后，在静摩擦力的作用下仍能保持很大力矩。 2)结构简单，设计形式自由度大，可以根据需要改动电机的设计 虽然超声电机在半个世纪来的发展下已经具有很有传统电机不具有的很多优良的性 能，但是一些不足之处仍然存在 3）超声电机使用寿命短 4）成本高昂 在高温环境下或者在长时间工作使超声电机自身温度上升之后，压电陶瓷在高温下 物理特性会发生变化，影响电机的参数，导致电机性能的变化。 综上所述，超声电机在有些地方还是有许多不足的地方，但是，不可否认的是超声 电机具有它独有的优越性能。而随着科技的发展，超声电机的部分缺点也在慢慢的被克 服。因此在本次的设计中，应该做到取长补短，尽可能的把超声电机的优点发挥到最大， 同时把超声电机缺点影响降至最小2-4。 1.3 超声电机的发展历史超声电机的发展历史 超声电机的制作设计到许多领域的科学成果，包括机械，声学，摩擦，振动，等很 多方面的学科及领域。超声电机的出现以及发展取决于很多方面的突破，如压电陶瓷材 料的发现及改进。大致来说，超声电机的发展可以分为三个阶段，即超声电机概念阶段、 具有实用前景的样机阶段和产业化生产及应用阶段。 1880 年，居里夫妇发现压电效应，但是受当时的科学水平所限，对于压电效应的应 用仅仅处于一个很狭小的领域，只局限于水声和电声器件。20 世纪 40 年代初，美苏科学 家同时发现了 BaTiO3陶瓷的铁电性，这对压电陶瓷的发展产生。 重要的意义。1942 年， 美国学者 Williams 和 W.Brown 申请了第一个超声电机的模型专利。如图为第一个超声电 机的模型，四片压电陶瓷分为两组粘贴在截面为正方形的长条弹性体的两个侧面上，对 其施加两相相位差为 90 的交变电压激励，能够在长条弹性体中激励起两个方面和频率相 同的弯曲震动，从而在弹性体端部质点做椭圆摇摆运动，此椭圆摇摆运动就可以驱动压 在其上的转子或者移动体。此模型类似于如今的杆式超声电机。但是因为当时的技术水 平已经材料方面的问题所制约，这个模型最终没能变成一个真正的样机。 旋转行波超声电机结构设计 3 图 1.3 最早的超声电机设想模型 在此之后，压电陶瓷的技术革新在不断的进行。1942 年 S.Robert 发现在 BaTiO3陶 瓷上施加直流偏压，该陶瓷会呈现强的压电效应。1954 年贾非等发现 PZT 有良好的压电 节点性能。这些压电材料的丰富和进步，以及科技水平的发展，超声电机的研究在这样 的环境下得到了很快的进步和提升。1961 年，日本 Bulova 钟表公司研制出一种新型钟表， 该钟表利用音叉的往复位移拨动棘轮而获得驱动。该钟表的精确度相当高，仅有 1min 的 月误差。这种领先于当时科技水平的钟表，造就了超声电机的样机雏形。1963 年，苏联 科学家设计出了一台利用轴向弯曲耦合振动的振动片型超声电机，并且由此总结解释出 了超声电机的工作原理。1972 年前后，德国西门子和日本松下两家公司研究出了利用电 谐振工作的直线驱动机械，这种机械拥有高达输完赫兹的振频，但是却因为振幅过小， 无法发挥较大的实用价值。1987 年，前苏联科学家研究出一种能驱动较大负载的超声电 机。这种电机是利用振动片的纵向振动和弯曲振动，再通过摩擦耦合，把机械能传递给 转子。 1980 年，日本科学家指田年生在苏联科学家的研究基础上，成功制造出一种驻波型 超声电机。这种电机的工作频率为 27.8KHz，电压 300V，输入功率 90W，输出功率 50W，转速 2000r/min,机械效率为 55%。这是世界上第一台能应用于实际中的超声电机。 但是这部电机在使用过程中磨损十分严重，严重影响电机的使用寿命。1982 年，指田年 生发明了行波型超声电机，该电机此电机实现了断续点接触变换成多点连续不间断接触 推动转子运动，大大的降低了电机的磨损，延长了电机的寿命。1985 年，指田年生在美 国申请了其专利，并且阐述分析了其工作原理以及超声电机的结构。1987 年，松下公司 在指田年生的设计基础上对超声电机的定子做出了改进。扩大的定子的振幅，大大的提 高了超声电机的效率。在此之后，世界各国也发现了超声电机的研究价值，如美国，英 国，土耳其等国家也相继开始加入了对超声电机的研究。时至今日，超声电机的研究仍 在继续。 我国对于超声电机的研究开始于上世纪 90 年代，相较于其他一些发达国家起步较晚， 所以对于超声电机的研究与其他国家仍然具有一定的差距，所以，我国需要在超声电机 方面获得更大的成就，需要与其他国家相互学习印证，完善我国在超声电机领域的知识， 争取缩小与其他国家的差距5。 无锡太湖学院学士学位论文 4 1.4 超声电机的应用及发展前景超声电机的应用及发展前景 由上所述的超声电机所具有的的有点，自超声电机被研究问世以来始终在不同的进步 和发展。目前超声电机已经被广泛运用于很多方面，超声电机体积小重量轻，无磁场干 扰等优点在航天航空，计算机，汽车，精密仪器等方面取得了良好的应用。如航空航天 的应用，因为超声电机具有真空工作的良好性能，并且适合于精密仪器，所以美国早在 太空机器人的微型仪器机械臂和微型桅杆式机械臂上等部位应用了超声电机。在我们生 活中，如医院，影院等地方对噪声要求低，所以窗帘的驱动元件往往应用了超声电机。 由此可见，超声电机应用于生活中各个方面。 超声电机的发展前景一样十分广阔，在我国，超声电机在未来同样可以应用在很多 方面 1） 航空航天领域。我国在航空航天领域一向走在世界的前端。载人航天技术也仅 次于美国与俄罗斯位列世界第三。在未来的航空航天领域中，超声电机相对于传统电机 体积小重量轻以及真空环境下的良好性能将会作为航天领域电机的主要选择。对于减少 飞船的质量，增加可控性等方面都能有良好的改善 2） 车辆上的应用。在未来的车辆发展中，一些大型的或豪华的汽车中往往会需要 多达数十个电机，此时减少电机的体积和质量将变得十分必要。超声电机具有这方面的 优势。所以，未来的汽车行业，超声电机在这方面的应用将会大有作为 3） 磁悬浮列车的应用。磁悬浮列车上具有很强的磁场，传统电机在强磁场干扰下 极易失效，这时超声电机的优越性能将完全取代传统的电磁电机。 由于超声电机良好的性能，他没有电磁绕组和此路，抛弃了传统电机的电磁感应产 生能量，改用压电陶瓷的逆压电效应，使得其具有精度高，体积小，不受磁场影响等特 点。这给了超声电机的发展一个良好的基础，过去的短短 30 年间，从超声电机开始工程 实用化以来，超声电机已经在很多方面发挥着其作用，而未来的研究发展中，解决了超 声电机目前所存在的缺点后，超声电机将有可能取代部分电磁电机。因此深入研究超声 电机不仅具有重要的理论价值，同样具有重要的实际意义6。 1.5 本次课题的研究方向及安排本次课题的研究方向及安排 本次课题需要对超声电机的结构进行设计。首先需要对超声电机起源以及目前的现 状和发展前景进行展望。其次将对超声电机的工作原理进行详细的分析模拟计算。接着 将对超声电机的原理和特点，利用解析法以及有限元分析法，对超声电机的振动模态进 行分析，提高设计出的超声电机的可靠性。最后将对超声电机的各部件尺寸及材料进行 设计，以保证能完整的设计和生产出超声电机。 旋转行波超声电机结构设计 5 2 旋转行波超声电机的工作原理旋转行波超声电机的工作原理 2.1 引言引言 行波超声电机依靠定子产生的行波。并且靠定转子之间的摩擦得到力矩，使转子得 到驱动力产生运动。超声电机是一种不同于传统电机的一种新型电机。因此需要对此电 机进行详尽的分析以确保设计的电机能有最好的性能。本章将对超声电机的工作原理进 行分析，为后续电机的设计做铺垫。 2.2 旋转行波超声电机的机械结构旋转行波超声电机的机械结构 图 2.1 如图 2.1 所示为旋转行波超声电机的内部结构展开图。由图可以看出，定子是由定子 弹性体，内圈以及压电陶瓷片三部分组成。压电陶瓷片依靠粘贴层粘贴在定子外圈上。 而超声电机主要靠定子弹性体产生行波，所以定子是超声电机的主要部件。定子的设计 也将是电机设计的重点。其次设计转子，转子需要和定子直接产生物理接触从而产生摩 擦力驱动转子运动，所以定子在设计有驱动齿的同时转子表面需要涂覆一层摩擦材料作 为摩擦层。定子和转子的设计使本文的主要设计内容。另外还有一些其他的部件如蝶簧， 轴承以及防止定子的底座和壳体。这些部件都有其特殊的功能。这额部件的合理设计才 能使得超声电机正常完美的运转。该电机具有体积小结构简单，扭矩与体积比值大，输 出力矩和转速大的特点。 2.3 超声电机的工作原理超声电机的工作原理 旋转行波超声电机是目前使用最广泛的一种超声电机。旋转行波超声电机依靠定子 振动产生行波，从而带动转子旋转。如图所示，定子断面粘贴有 A、B 两组压电陶瓷片。 当压电陶瓷片产生逆压电效应后，定子上会产生两个时间和空间上相差 90的同频率，等 幅值的驻波弯曲振动，这两个驻波在定子内部产生线性叠加，形成弯曲行波。产生的行 波会使定子表面指点做椭圆运动。定子与转子间的摩擦耦合使得定子表面的椭圆运动带 动转子做旋转运动。 无锡太湖学院学士学位论文 6 因此，超声电机的工作过程大致分为两大部分：1.压电陶瓷的逆压电效应带动定子的 振动。2.定子质点依靠摩擦耦合带动转子做旋转运动。当定子和转子设计为圆板结构时， 这种超声电机则为旋转行波超声电机，如图 2.2 所示。 图 2-2 2.4 压电陶瓷的工作原理压电陶瓷的工作原理 压电陶瓷是超声电机的核心材料，是超声电机能量转换的关键部件。定子表面质点 的椭圆运动来源于压电陶瓷的逆压电效应激励。压电陶瓷是超声电机能量转换的桥梁。 所以对压电陶瓷的了解是设计超声电机必不可少的一部分，对于设计好超声电机，提高 电机性能有着巨大的作用 1880 年，居里夫妇发现了压电效应，于是越来越多的人开始研究将压电效应应用于 工程。在 20 世纪 40 年代开始，人们开始发现各种具有良好的压电性能的材料，并有效 地将至运用于工程之中。 (a) 极化前的电畴取向 (b) 极化后的电畴取向 图 2.3 压电陶瓷中的电偶极子 压 电 陶 瓷 本 身 是 一 种 铁 电 体 ， 在 没 有 经 过 极 化 之 前不 具 有 压 电 性 。 在 微 观 上 ， 压 电 陶 瓷 可 以 当 成 是 许 多 无 规 则 取 向 的 铁 电 晶 体 构 成 的 , 如 图 2 .3 ( a ) 所 示 。 这 种 无 规 则 的 取 向 和 旋转行波超声电机结构设计 7 微 晶 中 的 “ 电 畴 ” 结 构 ， 使 得 烧 结 后 的 陶 瓷 体 在 宏 观 上 为 各 向 同 性 的 、 不 呈 现 压 电 性 。 为 了 让 其 具 有 压 电 性 ， 就 需 要 对 其 进 行 极 化 ， 即 需 在 压 电 陶 瓷 片 上 施 加 很 高 的 直 流 极 化 电 场 ， 如 图 2 .3 ( b ) 所 示 ， 使 铁 电 体 中 的 “ 电 畴 ” 的 取 向 尽 可 能 具 有 一 致 性 ， 而 撤 除 该 电 场 后 ， 由 于 铁 电 晶 体 具 有 类 似 磁 滞 的 “ 电 滞 回 线 ” 特 性 ， 从 而 会 使 压 电 陶 瓷 中 仍 能 保 留 一 定 的 剩 余 电 场 。 当 在 此 剩 余 电 场 上 叠 加 一 小 的 交 流 电 场 时 ， 由 于 交 流 电 场 相 对 很 小 ， 其 作 用 一 般 不 足 以 使 “ 电 畴 ” 转 向 ， 但 可 以 引 起 电 畴 边 界 的 移 动 ， 使 与 电 场 同 向 的 电 畴 体 积 增 大 ， 与 电 场 反 向 的 电 畴 的 体 积 减 小 ， 这 样 ， 经 过 极 化 的 压 电 陶 瓷 便 具 有 了 较 典 型 的 压 电 性 。 可 见 ， 经 极 化 处 理 后 的 压 电 陶 瓷 可 当 作 压 电 晶 体 使 用 ， 而 且 其 压 电 性 会 表 现 得 更 明 显 。 当 把 交 变 电 场 以 特 定 方 式 施 加 到 压 电 陶 瓷 片 上 以 后 , 通 过 逆 压 电 效 应 可 激 发 出 压 电 陶 瓷 的 振 动 模 式 ， 这 时 压 电 陶 瓷 就 成 为 了 一 个 压 电 振 子 。 压 电 振 子 典 型 振 动 模 式 主 要 有 ： 垂 直 于 电 场 方 向 的 长 度 伸 缩 振 动 （ 简 称 L E ） 、 平 行 于 电 场 方 向 的 厚 度 伸 缩 振 动 （ 简 称 T E ） ， 垂 直 电 场 平 面 内 的 平 面 切 变 振 动 （ 简 称 F S ） 和 平 行 于 电 场 平 面 的 厚 度 切 变 振 动 （ 简 称 T S ） 等 四 种 类 型 ， 如 图 2 . 4 所 示 。 设 计 压 电 振 子 时 ， 除 应 选 择 合 适 的 压 电 陶 瓷 材 料 之 外 ， 还 要 选 择 合 适 的 压 电 振 子 振 动 模 式 。 其 中 ， 板 式 旋 转 行 波 超 声 电 机 利 用 的 是 压 电 陶 瓷 的 LE 模 式 的 振 动 7 。 (a) LE 模式 (b) TE 模式 (c) FS 模式 (d) TS 模式 图 2.4 压电振子的四种振动模式 无锡太湖学院学士学位论文 8 2.5 定子行波的产生定子行波的产生 图 2.5 定子有限元模型 图 2.6 超声电机 A 相振型 图 2.7 超声电机 B 相振型 如 图 2 . 6 和 图 2 . 7 定 子 沿 圆 周 波 数 为 4 的 2 个 正 交 模 态 的 振 型 ， 可 称 作 A 相 和 B 相 。 A 相 振 型 和 B 相 振 型 在 空 间 上 相 差 1 / 4 个 波 长 ， 相 位 相 差 9 0 ， 所 以 为 正 交 模 态 ， 用 振 型 函 数 A （ r , ) 来 描 述 这 个 振 型 ： 可 得 A 相 振 型 驻 波 方 程 ： (2.1)( , , )( , )( )( )cos()cos()AAAAnQ rtrq tQ R rnt 旋转行波超声电机结构设计 9 因为定子板为轴对称结构，和 A 相振型相差任意角度的振型都振型，因此，选择与 A 相振型相差，可得到 B 相驻波方程: 2 (2.2)( , , )( , )( )( )sin()sin()BBBBnQ rtrq tQ R rnt 根据线性波叠加原理可得： （2.3）(cos)cos()1 ( ) (cos)cos()2sinsincos2 ABn ABnBn QQAQB QQnt R r QQntQnt 由式（2.3）可知，定子这时由正向行波，反向行波和驻波构成。 当时，即 A,B 相同频，等幅和空间时间上都超前时，此驻波叠00,ABQQQ 2 加为一个正向行波： （2.4）( )( , , )cos()rrtRnt 当时，即 A,B 相同频，等幅和空间时间上都落后时，此驻波叠0,ABQQQ 2 加为一个反向行波： （2.5）( )( , , )cos()rrtRnt 由此可得，定子内的行波是基于和固有频率的两个正交同振型在时间上相差 90作固 有振动叠加成的。所以行波的有效激发条件是空间上相差时间上也相差。由此可见， 2 2 只需改变两相驻波间激励时差，可以轻易的改变行波方向，从而能够实现超声电机的正 反转。 2.6 定子表面质点运动分析定子表面质点运动分析 行 波 的 形 成 是 超 声 电 机 转 子 运 动 的 能 量 来 源 ，而 为 了 了 解 行 波 在 转 子 中 的 运 动，则 需 要 对 定 子 表 面 质 点 运 行 轨 迹 进 行 分 析 。 对 于 带 有 带 内 支 撑 板 的 环 形 定 子 ， 因 内 支 撑 板 较 薄 且 质 量 小 ， 故 可 以 忽 略 支 撑 板 的 影 响 ， 视 该 定 子 为 一 个 环 形 薄 板 。 另 外 ， 考 虑 到 的 定 子 环 上 的 齿 的 宽 度 较 小 ， 故 可 忽 略 定 子 环 的 运 动 沿 径 向 的 变 化 ， 用 定 子 环 的 平 均 半 径 即 r m = ( r 1 + r 2 ) / 2 所 对 应 的 圆 周 面 上 的 行 波 来 表 示 定 子 的 行 波 运 动 ， 这 里 ， r 1 、 r 2 分 别 表 示 定 子 环 的 外 径 。 显 然 ， 中 径 r m 对 应 的 圆 周 上 的 行 波 可 描 述 为 （2.6）)sin()sin()(),( 0 tntnrRt mrmmm 式 中，表 示 半 径 为 的 圆 柱 面 上 的 弯 曲 行 波 波 幅 。 为 便 于 分 析 ， 现 将 半 )( 0mrm r m r 径 为 的 圆 柱 面 展 开 为 矩 形 ， 同 时 给 矩 形 赋 与 一 定 厚 度 （ 定 子 环 的 宽 度 ） ， 这 样 就 得 到 一 m r 个 弹 性 无锡太湖学院学士学位论文 10 等 截 面 直 梁 ， 显 然 圆 柱 面 和 矩 形 面 的 几 何 对 应 关 系 为 （2.7） m x r 将上式代入（2.6）后，可得 （2.8）( , )sin rmmm w x tn rxt 为了方便书写，引入记号： m k （2.9）2 mmm kn r 式中，为定子在半径为的圆周上的行波的波长。这样就得到了定子所对应的等 m m r 截面弹性直梁的弯曲行波运动方程 （2.10）( , )sin rmmm w x tk xt 直梁的波动状态如图 2.8 所示。下面考察弹性梁表面上的任意一个质点 P。P 到定子 中性层的距离为。在梁未发生弯曲变形前，该质点处于 P0位置。在直梁产生H 图 2.8 弹性梁表面质点的椭圆运动分析 行波弯曲振动后的第 t 时刻，质点 P 因其所处的横截面偏转而从位置 P0运动到 P/。利用 图示几何关系，可求得质点 P 在 z 轴方向（横向）的位移量为 z u （2.11）( , )cossin1 cos zzprmmm ux tWHHk xtH 由于行波的波幅远小于行波波长，所以梁的截面的偏转角非常小，故可认为 rm m ，这样有(1 cos )0H （2.12）( , )sin zrmmm ux tk xt 可以看出，质点 P 在 x 轴方向上的位移为 （2.13）( , )sin x ux tHH 同样，利用图 2.12 中的几何关系，可得到梁的弯曲而造成的截面偏角为 旋转行波超声电机结构设计 11 （2.14） , cos rmmmm w x t kk xt x 式（2.14）代入（2.13）后，可得到质点 P 的纵向位移 （2.15）)cos(txkHku mmmrmx 结合考虑（2.12）和（2.13） ，可推得弹性直梁表面质点的运动轨迹为 （2.16） 22 ,( , ) 1 x z rmrmm ux tux t Hk 根据（2.7） ，将上述运动方程映射到圆周面内，得到定子环表面质点的运动方程为 （2.17） 2 2 ( , )( , )1 rmzrmm ututHk 由（ 2.17）可 知，此 式 符 合 椭 圆 的 标 准 方 程，因 此 定 子 端 面 上 任 意一 点 都 作 椭 圆 轨 迹 运 动。由 于 产 生 了 椭 圆 运 动。因 此，在 预 压 力 的 作 用 下，定 子 表 面 各 质 点 会 对 1转 子 产 生 摩 擦 驱 动 力 而 推 动 转 子 转 动，而 且 转 子 的 转 动 方 向 将 与 行 波 传 播 的 方 向 相 反，这 就 是 行 波 超 声 电 机 的 运 动 传 递 机 理 。从 定 子 表 面 质 点 的 运 动 方 程 可 以 看 出：当 利 用 压 电 陶 瓷 的 逆 压 电 效 应 在 弹 性 体 上 激 励 出 了 时 间 上、空 间 上 各 相 差的 两 个 同 频 率 等 幅 值 2 的 驻 波 时，经 过 线 性 叠 加 后，形 成了 行 波，使 得 定 子 表 面 质 点 产 生 椭 圆 运 动，其 椭 圆 轨 迹 的 长 短 轴 之 比 为或 者。 m Hk2 m H 2.7 本章小结本章小结 本章主要对超声电机的工作原理和结构进行分析，分析了压电陶瓷，定子，转子之 间的关系和作用。同时对定子内行波产生的过程及条件进行了分析。并且分析了定子表 面质点的运动轨迹，得到定子表面质点的轨迹方程，为后面的设计做好铺垫。保证后续 的设计能够更加合理。 无锡太湖学院学士学位论文 12 3 定子模态分析计算定子模态分析计算 3.1 导言导言 目前的超声电机定子上大多都加工了驱动齿。长期的试验证明，驱动齿可以提高定 子的表面振幅和运动速度，使超声电机的工作效率大大提高。因为驱动齿的缘故，使用 解析法求解工作模态和固有频率难度较大，使用传统方法简化求解后，结果与实际误差 较大。因此可采用有限元分析法进行有限元分析。可采用有限元分析软件对定子进行固 有频率模拟，再与理论计算值作对比，验证固有频率设计的合理性。这些分析结果将为 后续的设计做铺垫，使设计出的电机更加科学合理。 3.2 固有频率的理论计算固有频率的理论计算 3.2.1 共振频率计算共振频率计算 图 3-1 为超声电机定子结构三维图。其中，驱动齿在计算过程中暂时忽略，简化为无 齿定子，如图 3.2 所示 图 3.1 定子三维结构图 图 3.2 定子简化图 假 设 z 方 向 的 挠 曲 位 移 为 ， 应 用 n 次 B e s e l 函 数 J n 、 Y n 、 I n 、 K n 及 其 系 数 A n 、 B n 、 C n 、 Dn ， 根 据 式 （ 2 9 ） （ 2 1 1 ） ， 可 表 示 为 （3.1） tjjn nnnnnnnn eerNKDrNYCrNIBrNJAtr )()()()(),( 旋转行波超声电机结构设计 13 其中振动常数为，满足 N （3.2） JYI E m N )1( 2 其 中 ， E 为 材 料 的 杨 氏 模 量 ； 为 柏 松 比 ； m 为 单 位长 度 的 平 均 质 量 ， 即 ， mah 为 材 料 的 密 度 ； I J 为 横 截 面 的 二 次 惯 性 矩 ， 即， a 为 截 面 宽 度 ； h 为 压 电 振 子 的 3 /12JIah 厚 度 ， 即。02hh 在式（3.1）和式（3.2）中，、为与内径和外径等变量相关N n A n B n C n D 1 r 2 r 的系数，由边界条件确定。对于不同的，存在、分别对应于半径nN 0n N 1n N 2n N 方向不同节圆数的振动模态。对于的振动模态，由前面的式（3.2） ，可得圆环的0,Bn 共振频率为 on f （3.3） 2 0 0 2 2 2(1) nYJ n NE I f m 由 图 3. 1 ( a ) 可 以 看 到 金 属 圆 环 中 开 的 尺 槽 ， 这 是 为了 放 大 共 振 振 幅 和 减 小 刚 度 ， 为 了 便 于 研 究 有 齿 定 子 特 性 ， 将 图 3 . 1 ( a ) 所 示 的 环 形 超 声 电 机 的 定 子 展 开 复 合 梁 如 图 3 . 2 所 示 。 考 虑 到 复 合 梁 是 压 电 陶 瓷 及 金 属 梁 组 成 ， 在 金 属 梁 的 上 面 有 齿 槽 。 所 以 直 梁 的 共 振 频 率 计 算 公 式 需 要 做 一 些 适 当 的 修 改 。 由 梁 的 弯 曲 理 论 可 知 ， 在 中 性 层 上 所 用 正 应 力 为 零 。 根 据 此 条 件 就 可 以 确 定 中 性 层 及 中 性 轴 的 位 置 。 在图 3.3 中，为压电陶瓷厚度，为金属梁厚度，为齿高，为齿宽，为梁 p h m h t h t b 宽。设金属梁和压电陶瓷的弹性模量为、，从压电陶瓷底部至中性层距离为。 Ym E Yp E 0 h /2 t h0 ht hc hp hm 金属 压电 陶瓷 图 3.3 复合梁的结构 EMBED AutoCAD.Drawing.18 无锡太湖学院学士学位论文 14 由于在中性层上所有正应力为零，可得下式 （3.4）0 YmmnYppp E S dAE S dA 式中，、为金属梁和压电片的应变，根据上式可以得到： m S p S （3.5） 2 0 1()2 2(1) YmmYmm YppYpp p Ymm Ypp EhEh EhEh hh Eh Eh A 又因为复合梁的等效刚度为 （3.6） YppYmm EIE IE I 式中，为相对于中性层的惯性矩，即 p I m I （3.7） 22 YpYm EIE b z dzE b z dz 备注：式中被积分量 z 是从中性轴算起。 复合梁的平均密度为 （3.8）()()() mp AAA 也可以表示为 （3.9）()()() pmct AAAA 由以上各式整理得：复合梁的共振频率的计算公式为 （3.10） 2 () n nEI LA 式中，L 为金属梁的长度8。 3.2.2 共振振幅的计算共振振幅的计算 由 第 二 章 中 的 超 声 电 机 的 工 作 原 理 可 知 ： 超 声 电 机的 定 子 振 动 是 由 压 电 陶 瓷 受 到 电 压 的 激 励 产 生 的 。 当 在 z 方 向 激 励 压 电 陶 瓷 片 时 ， 由 于 逆 压 电 效 应 ， 可 在 x 方 向 产 生 应 变 ， 此 应 变 对 定 子 施 加 弯 曲 力 矩 ， 从 而 使 定 子 产 生 弹 性 挠 曲 。 定 子 在 谐 振 时 的 弹 性 挠 曲 ， 即 定 子 的 振 幅 ， 可 以 用 动 态 放 大 系 数 以 静 态 弹 性 挠 曲 量 来 求 得 。 旋转行波超声电机结构设计 15 图 3.4 等效简支复合梁 图 3.5 复合梁的弯曲分析单元 图 3 . 3 中 是 为 环 形 行 波 超 声 电 机 定 子 展 开 而 成 的 等 效 简 支 复 合 梁 。 其 中 ， 梁 的 长 度 为 波 长 的 一 半 ， 即 L = 0 . 5 ； 压 电 陶 瓷 的 厚 度 为 h p ； 金 属 梁 的 厚 度 为 h s ； 底 部 到 中 性 层 距 离 为 g 。 假 设 压 电 陶 瓷 的 极 化 方 向 为 z 的 正 方 向 ， 当 沿 z 的 正 方 向 施 加 电 压 ， 压 电 陶 瓷 将 会 在 z 方 向 上 产 生 弹 性 扩 张 ， 并 且 会 在 x 方 向 产 生 弹 性 收 缩 ， 由 此 引 起 复 合 梁 向 上 挠 曲 。 根 据 弹 性 动 力 学 可 知 ， 在 一 定 的 边 界 条 件 下 ， 可 以 通 过 分 析 应 力 与 应 变 的 关 系 确 定 梁 的 弯 曲 曲 率 。 根 据 这 点 ， 就 可 以 确 定 在 等 效 简 支 复 合 梁 的 最 大 偏 移 量 。 图 3 . 5 为 复 合 梁 的 弯 曲 分 析 单 元 。 从 图 上 可 以 知 道 ， 当 应 力 T 1 ( z ) 作 用 于 梁的 x 方向，梁的弯曲曲率半径为，沿着无 k 应力中性面（图 3.4 中的虚线）的 微 小 弧 长 为 d s , 则 有 : （3.11） kd ds 当 梁 的 弯 曲 角 度 小 于 5 时 ， 有 （3.12） 2 2 1 k ddd dsdxdx 式中，为梁变形前中性层的微小单位；为梁的挠曲幅值。dx 设为 x 方向上产生的应变，其表达式为： 1 S （3.13） 1( ) k zg S z 由 力 矩 平 衡 可 知 ： 由 于 无 外 力 矩 作 用 于 梁 上 ， 应 力函 数 与 力 臂 相 乘 后 沿 等 直 梁剖 面 的 积 分 为 零 ， 即 ： （3.14） 1 () ( )Mbzg T z dz 利 用 环 形 行 波 超 声 电 机 定 子金 属 体 和 压电 陶 瓷 中 应 力 应 变 关 系 及 简 支 梁 的 边 界 条 件 无锡太湖学院学士学位论文 16 ，可 由 上 式 导 出 简 支 梁 在 中 点 处 的 最 大 位 移 m a x 。 用 简 支 梁 的 最 大 横 向 位 移 m a x 乘 以 谐 振 时 的 品 质 因 子 Q b 即 为 简 支 梁 的 谐 振 振 幅 A m a x ， 也 就 是 环 形 行 波 超 声 电 机 定 子 的 振 幅 。 （3.15） 2 22 313313 00 maxmax 222 0000 (1 2)(1 2)33 161 3161 3 pp Ab pp d E L Qd E Q ffr Q hffnhff 在上式中， ，、分别为定子金属体和压电陶瓷的刚度常数； 0 1 (1) 2 mb pp c h f c h m c p c 压电陶瓷的品质因子， 为压电常数， 为定子环平均半径，为定子环振动模态阶 p Q 31 drn 数，为电场强度9。 3 E 3.3 定子建模分析定子建模分析 3.3.1 ANSYS 软件简介软件简介 有限元分析是计算机辅助分析软件（CAE） ，ANSYS 是有限元分析软件中功能比 较强大的一款。ANSYS 包涵用途广泛，包括可以进行流体力学，机构力学，结构动力学 等各方面的分析。ANSYS 同时包涵一个多用途的有限元计算机设计程序，能够求解电磁 场，结构，流体等问题。因此在航天航空，电子产品，桥梁，汽车，建筑等领域应用广 泛。 ANSYS 软件有三个组成部分：前期处理模块，分析计算模块以及后期处理模块。前 期处理模块主要用于对所要进行分析的产品进行定义，如定义网格，坐标，材料等数据。 分析计算模块用于对所要进行求解的模型进行机构分析，然后对模型进行模拟、分析， 最后通过求解器进行求解。后期处理模块式用于对分析计算模块所得的结果进行再次计 算，包括位移、速度、热流等。 使用 ANSYS 做模态分析是，基本步骤如图 3.6 所示。 图 3.6 ANSYS 模态分析基本步骤 旋转行波超声电机结构设计 17 3.3.2 ANSYS 定子建模定子建模 3.3.2.1 建立实体模型建立实体模型 采用 U G